Concretos del Siglo XXI
Roberto J. Torrent
Materials Advanced Services,
Buenos Aires, Argentina
CONEIC 2012, Huaraz, Perú
2
El concreto es el material de construcción más utilizado en todo
el mundo.
Concreto en el Siglo XX
Encontramos al concreto en todo tipo de edificios residenciales,
públicos e industriales, en rascacielos y en construcciones
subterráneas, en todas las estructuras vinculadas al transporte,
tales como pavimentos, vías férreas, puentes y túneles, en
estructuras para el tratamiento de aguas y efluentes, en plantas
de energía, en estructuras costa afuera, en represas, etc.
Muchos de los modernos logros de nuestra civilización
dependen del concreto el que, conjuntamente con el acero,
constituye la base de la ingeniería estructural de hoy en día.
3
El objetivo de esta presentación es:
• Destacar la versatilidad* del concreto, la que lo convierte
en el material de construcción más empleado
• Comentar las herramientas de que disponemos para hacer
“ingeniería“ del material concreto
• Dar una mirada hacia el desarrollo futuro del concreto
* Atributo de ser “apto y competente para muchas cosas diferentes"
Objetivo
4
El tecnólogo dispone de un juego de herramientas,
limitado, pero suficientemente poderoso, para diseñar un
concreto con las propiedades requeridas.
Básicamente, se puede actuar en 4 frentes:
Herramientas para la Versatilidad
• Reología del concreto fresco
• Estructura de poros
• Procesos químicos
• Mecánica de la Fractura
5
Básicamente, se puede actuar en 4 frentes:
Herramientas para la Versatilidad
• Reología del concreto fresco
• Estructura de poros
• Procesos químicos
• Mecánica de la Fractura
7
ττττV
αααα
γγγγ
ττττ
γγγγ
Agua
Miel
ηηηη
g
●
Comportamiento Reológico de un Líquido
“Newtoniano”
η η η η = Viscosidad
9
El Concreto fresco se comporta como un Sólido
de Bingham
γγγγ
ττ ττ
ττττo
µ
●
τo = Límite de “fluencia”
µ = Viscosidad plástica
(Asentamiento)
12
Comportamiento Reológico de Concretos de distinta
“consistencia”
γγγγ
τ
τ
τ
τ
Rígido
Plástico
Blando
SCC
Fluido
(segregable)
●
14
El comportamiento reológico del concreto fresco puede
modificarse mediante cambios adecuados en:
• Contenido de agua de la mezcla
• Cantidad y tipo de partículas finas
• Uso de aditivos químicos
• Granulometría del agregado
Reología del Concreto Fresco
15
Variando los parámetros reológicos de la mezcla fresca es
posible obtener concretos que:
Reología del Concreto Fresco
16
� Pueden desmoldarse inmediatamente luego de ser
compactados (Bloques premoldeados)
Reología del Concreto Fresco
17
� Soportan cargas muy pesadas aún en el estado
fresco
(HCR: Concreto Compactado con Rodillo)
Reología del Concreto Fresco
19
� Puede ser colocado con encofrados deslizantes en
paramentos inclinados
Reología del Concreto Fresco
22
� Puede fluir libremente por canalones
� Puede fluir como un líquido sin segregarse (SCC)
Reología del Concreto Fresco
23
Básicamente, se puede actuar en 4 frentes:
Herramientas para la Versatilidad
• Reología del concreto fresco
• Estructura de poros
• Procesos químicos
• Mecánica de la Fractura
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Tanto la intensidad como la cinética de las reacciones
químicas que tienen lugar dentro de un concreto pueden
ser controladas, principalmente a través de:
• la composición y finura del cemento
• el uso de componentes minerales activos
• el contenido de cemento en la mezcla
• el uso de aditivos químicos
• tratamientos térmicos
Procesos Químicos
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Controlando los procesos químicos es posible producir
concretos que:
• Fraguan casi instantáneamente
• Permanecen días sin fraguar
• Desarrollan alta resistencia inicial
• Desarrollan bajo calor de hidratación
• Presentan mejor resistencia frente a agentes
agresivos externos o internos
• Generan expansiones controladas que
compensan la retracción por secado
Procesos Químicos
30
Un Concreto que desarrolla una expansión temprana controlada, adecuadamente restringida por el acero de refuerzo, de modo de compensar la subsiguiente etapa de retracción por secado (térmica: Presas en China).
Concreto de Retracción Compensada (HRC)
Sh
rin
ka
ge
E
xp
an
sio
n
1 14 28 56 90 180 360
Age (days)
7
Moist Dry
S hrinkage-
Com pensating
Concrete
Conventional
Concrete
32
Pisos Industriales de HRC en México
HEB Superstores,
30‘000 m² de HRC, losas de
40x40 = 1‘600 m² sin juntas
Depósito Colgate Palmolive
54‘000 m² de HRC, losas de
40x40 = 1‘600 m² sin juntas
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Básicamente, se puede actuar en 4 frentes:
Herramientas para la Versatilidad
• Reología del concreto fresco
• Estructura de poros
• Procesos químicos
• Mecánica de la Fractura
34Poros de “Gel” = 0.28 Vh
Cemento anhidro
Vo
Cemento
completamente hidratado
Vh = 2 Vo
Incremento de volumen durante la Hidratación
36
Crecimiento de productos de hidratación: llenado de espacio vacío
Cemento aún
sin hidratar
Contorno original
de las partículas
Microestructura de la Pasta Endurecida
37
Microestructura de la Pasta Endurecida
Poro Capilar
Poros del Gel
Cristales de C-S-H
Agua libre
Agua adsorbida
Agua de Gel
Cemento
anhidro
Modelo de microestructura de la pasta de cemento hidratada
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Rango de Poros en el Concreto Endurecido
0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
Tamaño de Poros (µm)
1 10
mm
Poros de
Gel
Poros
Capilares
Aire
Incorporado
Aire
Atrapado
Molécula
de H2O
1 10 100
nm
40
a/c
Baja
a/c
Al t
a
t = 0 t = horas t = semanas
Efecto de la relación agua/cemento y la edad
sobre la microestructura
41
Estructura de Poros
Es posible modificar la estructura de poros del concreto
endurecido, mediante:
• Relación a/c (volumen y tamaño de capilares)
• Contenido de Cemento (volumen de poros de gel)
• Uso de componentes minerales activos (p.ej. puzolanas)
• Uso de micro-fillers (p.ej. silica fume)
• Uso de selladores de poros (p.ej. polímeros)
• Uso de incorporadores de aire/gas (volumen y tamaño de las
micro-burbujas)
• Uso de agregados porosos
• Uso de granulometrías especiales (concreto “sin finos”)
46
Estructura de Poros
Concretos Resistentes a Ciclos de Congelación y
Deshielo (poros de aire incorporado)
47Torres Petronas (Kuala Lumpur), 452 m (88 pisos)
Estructura de Poros
Concretos de Alta Resistencia (hasta 150 MPa)
48
Tipos de ConcretoPropiedad Rangos
Normales
Ligero (aislante) Ligero (aislante estructural) Ligero (estructural)
Peso normal Pesado (protección de radiaciones)
Rellenos FluidosLivianosNormales
Drenantes, Celulares
Normales
Alta Resistencia
Ligeros
Ligeros
Alta Resistencia
Alto Desempeño (> 65 MPa)Buena CalidadCalidad NormalBaja CalidadMuy Baja Calidad
∞∞∞∞
200 - 800800 - 1400
1400 - 20002000 - 26002600 - 5000
0.5 - 2.00.4 - 3015 - 5050 - 150
2 - 1515 - 3530 - 50
0.1 - 1.01.0 - 2.5
< 0.010.01 - 0.10.1 – 1.0
1.0 - 10> 10
Módulo de
Elasticidad (GPa)
Densidad (kg/m³)
Resistencia a
Compresión (MPa)
Conductividad Térmica
(W/m.K)
Permeabilidad al Aire
(10-16 m²)
Estructura de Poros: Efecto sobre las
Propiedades del Concreto
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Básicamente, se puede actuar en 4 frentes:
Herramientas para la Versatilidad
• Reología del concreto fresco
• Estructura de poros
• Procesos químicos
• Mecánica de la Fractura
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Mecánica de la Fractura
Aunque la debilidad intrínsica del concreto como material
estructural (fragilidad y baja resistencia a tracción) ha sido
resuelta exitosamente a través del uso del compuesto
“Concreto reforzado” con barras de acero, hay aún campo
para mejorar.
El uso de fibras (metálicas, sintéticas, de carbono, de
vidrio, vegetales, etc.) no ha sido todavía suficientemente
explorado y explotado.
Esta es un área donde podemos esperar nuevos
desarrollos para mejorar la ductilidad del concreto y su
susceptibilidad a la fisuración.
51
Fibras usadas en Concreto
� Tipos de Fibras
� Acero
� Polipropileno (PP)
� Acetato de Polivinilo (PVA)
� Celulosa
� Vidrio (V)
� Carbono
� Usadas en:
� Concreto
Premezclado
� Shotcrete
� Premoldeados
52
0
5
10
15
20
25
30
35
0 1 2 3 4Deflection (mm)
Flexural Stress (MPa)
5% Vidrio 40:20:40
V:PP:PVA
5%
5% PP
2% PVA
Sistemas Híbridos de Fibras
53
El Futuro
� Concretos de Alta Resistencia y Alto Desempeño (en
especial buscando mayor durabilidad)
� Concretos Auto-Compactantes
� Concreto reforzado con distintos tipos de fibras
� Armaduras inoxidables / no-metálicas (FRP)
� Concretos “Verdes” (hechos total o parcialmente con
materiales reciclados)
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Fronteras de la Imaginación:
Concretos de Ultra-Alta Resistencia (UHSC)
Características de los UHSC:
� Resistencia a Compresión: 150 – 800 MPa
� Resistencia a Flexión: 10 – 400 MPa
� Virtualmente “impermeables” (durabilidad ilimitada)
55
CUAR: Aplicaciones
Puente Peatonal en
Sherbrooke (CND)
Compressive Strength: 200 MPa
(350 MPa when confined in 3mm thick
stainless steel tubes: diagonals)
Tensile Strength: 7 MPa
Bending Strength: 40 MPa
E-Modulus: 50 GPa
57
130 110 470 530
Peso Propio (kg/m) de Vigas de Igual Capacidad Portante
AceroUHSC
Concreto
PretensadoConcreto
Armado
CUAR: Alta relación Resistencia /Peso
62
Concreto Traslúcido
LiTraCon©
Fibras ópticas
moldeadas en el Concreto
Concreto: Aplicaciones Especiales
65
¿Tiene el concreto
un rol que jugar en la
conquista del
espacio?
Fronteras de la Imaginación:
Concreto Lunar?
66
Sí, el concreto puede jugar
un papel importante en la
conquista del espacio
Fronteras de la Imaginación:
Concreto Lunar
67
Pies en la Tierra: Perspectivas del Concreto
� El concreto continuará siendo el material de
construcción preferido en el Siglo XXI, aunque con fuerte
competencia desde diversos flancos
� A través del uso de desechos reciclados como materias
primas, el concreto se transformará en un “eco-
Concreto”. I+D necesario para prever consecuencias de
mediano/largo plazo
68
Pies en la Tierra: Perspectivas del Concreto
� Se prestará más atención a la durabilidad en el diseño
de estructuras de concreto, para mejorar el ciclo de vida
de construcciones sustentables y hacerlo más
competitivo frente a otras alternativas
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Disponibilidad de soluciones en el mercado
� La industria del concreto en Latinoamérica ya ofrece
muchas de estas soluciones
� Se requiere una óptima comunicación entre
propietarios, proyectistas, constructores y proveedores
de materiales para romper el „círculo vicioso“ de la no
innovación
� La aplicación de estas soluciones no requiere de
técnicas sofisticadas, sino simplemente de aplicar las
reglas del arte indicadas en los códigos de construcción
� Pregunta: porqué es tan difícil introducirlas? � una de
las razones son las Normas Prescriptivas que
prevalecen en la Construcción en Concreto
70
Problema de las Normas Prescriptivas
Norma a/c Cemento Resistencia
Máx (kg/kg) Mín (kg/m³) Mín (kgf/cm²)
EN 0.50 300 300 Costa
EN 0.45 320 350 Mareas
ACI 0.40 --- 350
NMX 0.55 300 300
� Suponen, erróneamente, que distintos materiales (ej. tipos
de cemento), en las mismas proporciones, confieren idéntico
desempeño al Concreto
� Dan pocas oportunidades para innovar y agregar valor
� Tratan al Concreto y a los materiales componentes como
commodities
� Cómo se controla la a/cmáx?; se cumple en la realidad?
71
Tendencias
Varias organizaciones están promoviendo Normas y
Especificaciones basadas en el Desempeño del Concreto
o aún de las Estructuras mismas, especialmente en lo
referido a su Durabilidad, ejemplos:
� NRMCA: Enfoque P2P
(Prescription to
Performance)
� RILEM: Comité Técnico PSC "Performance-based
Specification and Control of Durability"
72
CO2 Cl- SO42-, Abrasión, Hielo
Acero
“Recubrimiento”
de Peor Calidad
Debido a:
• Segregación
• Compactación
• Curado
• Exudación
• Acabado
• Microfisuras
Realidad: Calidad del Concreto en la Estructura
Las probetas
moldeadas y
curadas en
forma
normalizada,
NO
representan la
vital calidad
del
‘recubrimiento’
73
Ejemplo de Norma por Desempeño: Norma Suiza SIA
262:2003 “Concrete Construction”
Respecto a la durabilidad, la calidad del Concreto de
recubrimiento es de particular importancia
Se verificará la impermeabilidad del Concreto de
recubrimiento, mediante ensayos de permeabilidad
in situ (p.ej. mediciones de permeabilidad al aire) o
sobre testigos extraídos de la estructura
74
Permeabilidad al Aire del Recubrimiento (Método de
Ensayo SIA 262/1-E)
La permeabilidad al aire del
recubrimiento (kT) se mide
directamente sobre la estructura
terminada, a 28 - 90 días, con la
siguiente clasificación tentativa:
High> 1.0PC4
Medium0.1 – 1.0PC3
Low0.01 – 0.1PC2
Very Low< 0.01PC1
Covercrete
Permeability
Site kT
(10-16 m²)
Permeability
Class
Se usan mediciones complementarias para verificar que el
concreto esté suficientemente seco
75
1. El enfoque de la Norma Suiza SIA 262 de establecer
como Indicador de Durabilidad la permeabilidad del
recubrimiento, medida en la estructura , apunta a
controlar el producto terminado
2. Así, mide el resultado de la contribución de todos los
actores en la cadena de construcción en concreto
(especificadores, proveedores de concreto y de
materiales, contratista, etc.)
Norma SIA 262 (por Desempeño)
76
3. Al controlar el producto terminado, impone una
mentalidad orientada al desempeño en todos los
actores, asegurando una competencia leal:
� en los Contratistas , que entregan el producto a ser
controlado, donde quienes no apliquen buenas
prácticas serán penalizados al deber usar mezclas más
caras o aplicar medidas curativas
� en los Productores de Concreto , que deberán diseñar,
producir y entregar, eficientemente, concretos que
alcancen el desempeño requerido
� en los Proveedores de Materiales (cementos, aditivos,
áridos) que deben diseñar sus productos hacia un
desempeño óptimo en el concreto
Norma SIA 262 (por Desempeño)
77
� SCC, que crea un recubrimiento más compacto y uniforme
que el Concreto vibrado
� Membranas permeables en los encofrados
� Compuestos de curado más eficientes y/o de concretos
“autocurantes”
� Concretos de Alto Desempeño
� Compuestos de Ultra Alto Desempeño (selectivamente)
� Concretos de baja retracción o retracción compensada
4. Incentiva la innovación fomentando el uso de:
5. Facilita la tarea de la D.d O., que no necesita controlar
todas las etapas de la ejecución sino solamente el
producto final (+ rol preventivo)
Norma SIA 262 (por Desempeño)
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� Las estructuras de Concreto tienen puntos débiles!
UHPFRC: Ultra-High Performance Fiber-ReinforcedComposite
� Idea: usar UHPFRC en partes específicas donde la exposición ambiental o mecánica sea más severa
Ejemplo de Uso Selectivo de UHPFRC
81
Propiedades Mecánicas de UHPFRC
Comportamiento a tracción
~ 37 - 16First crack
stress [MPa]
00.05 - 0.2Strain hardening
[%]
0.6 – 1.0Retracción [‰]
~ 39 - 20ft [MPa]
~ 3548 - 60E [GPa]
~ 40160 - 250f’c [MPa]
CCUHPFRCPropiedad
83
Durabilidad?, porqué debemos ocuparnos?
� Porque las reparaciones (hoy superan el 50% de los
fondos dedicados a Construcción en Europa y Norte
América), en el que la Industria del Concreto participa
poco, le quitan mercado
� Porque esos recursos, de aumentarse la vida en
servicio, podrían dedicarse a nuevas obras de
infraestructura y vivienda, tan
necesarias en países
emergentes
� Porque es un talón de Aquiles
que puede ser explotado por
materiales competitivos